模拟量闭环控制系统演示文稿

1、第第6章章 S7-200 PLC在模拟量闭环控制中的应用在模拟量闭环控制中的应用1.模拟量单闭环控制系统的组成模拟量单闭环控制系统的组成 典型的典型的PLC模拟量单闭环控制系统如图模拟量单闭环控制系统如图6-1所示，虚线所示，虚线中的部分是用中的部分是用PLC实现的实现的。 6.1模拟量闭环控制的基本概念模拟量闭环控制的基本概念 在模拟量闭环控制系统中，被控量C(t)(例如压力、温度、流量、转速等)是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号MV(t),而PLC的CPU只能处理数字量。C(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准的直

2、流电流信号或直流电压信号PV(t),例如420m A ,1，用A/D转换器将它们转换为数字量PV(n). 模拟量与数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期TS。各数字量括号中的n表示该变量是第n次采样计算时的数字量。 2.变送器的选择变送器的选择 变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和和420mA。变送器分为电流输出型和电压。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质，输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性

3、质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，例如高，例如100k10M。如果变送器距离。如果变送器距离PLC较远，通过线路远程传送模拟量电压信号时抗干较远，通过线路远程传送模拟量电压信号时抗干扰能力很差。扰能力很差。 电流输出具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较低（例如250）。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很低，所以模拟量电流信号适于远程传送。 电流传送比电压传送的传送距离远得多，S7-200的模拟量输入模块使用屏蔽电缆信号线时允许的最大距离为200m。二线式变送器420mA 250模

4、拟量输入模块图6-6 二线式变送器6.1.5 PLC的模拟量输入接口的模拟量输入接口 它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。 图6-7 模拟量输入电路框图6.1.6 PLC的模拟量输出接口的模拟量输出接口 它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为响应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。6.2 S7-200PLC的模拟量扩展模块的模拟量扩展模块6.2.1 模拟量扩展模块的功能模拟量扩展模块的功能模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能。具有以下特点： (1) 最佳适应性，可适用于复杂的控制场

5、合。 (2)直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，例如EM231RTD模块可直接与PT100 热电阻相连 (3)灵活性，当实际应用变化时，PLC 可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。 （4）扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，S7-200（ CN） PLC 的扩展模块种类很多，固定方式与CPU相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。 （5）安装方便，可以在标准导轨上安装，模块卡装在紧挨CPU 右侧的导轨上，通过总线连接电缆与CPU 互相连接。也可以直接安装，模块上有固

6、定螺孔，也可以用螺钉将模块固定安装在柜板上，这种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。6.2.2 S7-200 PLC模拟量扩展模块的分类模拟量扩展模块的分类 1.常规模拟量控制模块常规模拟量控制模块 有EM231模拟量输入模块，有EM232模拟量输出模块,有EM235模拟量输入输出模块。适用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226系列的PLC。图6-9为EM235模块端子接线图。 EM 235配置配置 -如何用DIP开关设置EM 235模块。开关1到6可选择模拟量输入范围和分辨率。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围和格式。选择单/双极性（开关6）、增益（开关4和5）和

7、衰减（开关1、2和3）。下表中，ON为接通，OFF为断开。 单极性单极性 满量程输入满量程输入 分辨率分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0到50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0到100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0到500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0到1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0到5V 1.25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0到20mA 5A OFF ON OFF OFF OFF ON

8、0到10V 2.5mV 2.热电阻和热电偶模块热电阻和热电偶模块 RTD（热电阻）和热电偶模块用于CPU 222、CPU224、CPU 224XP和CPU226。 热电偶模块端子接线图RTD和热电偶模块安装在一个稳定的温度环境内时，具有最佳的性能。例如，EM231CT热电偶模块有专门的冷端补偿电路。该电路在模块连接器处测量温度，并对测量值作出必要的修正，以补偿基准温度和模块处温度之间的温度差。如果EM231热电偶模块安装环境的温度变化很剧烈，则会引起附加的误差。为了达到最大的精度和重复性，热电阻扩展模块EM231RTD和热电偶模块EM231CT要安装在环境温度稳定的地方。6.2.3 根据模拟量

9、输入模块的输出值计算对应的物理量根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量1.模拟输入量的模拟值数据格式模拟输入量的模拟值数据格式模拟量输入输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码来表示。最高位为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。对于单极性输入模拟量满量程对应的模拟值为032767，双极性输入模拟量满量程对应-32768+32767。 2.应用举例应用举例【例【例6-1】压力变送器的量程为010MPa，输出信号为420mA，模拟量输入模块的量程为420mA，转换后的数字量为032000，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。解：010MPa(010

10、000kPa)对应于转换后的数字032000，转换公式为: P = 10000 N / 32000 （kPa）【例【例6-2】 某温度变送器的量程为 200500，输出信号为420mA，某模拟量输入模块将020mA的电流信号转换为数字032000，对应关系见图6-12，设转换后得到的数字为N，求以0.1为单位的温度值。 解：单位为0.1的温度值20005000对应于数字量640032000，根据比例关系（见图6-12），得出温度T的计算公式为: 6400320002000500064002000NT200025600)6400(7000NT(0.1)6.3 数字数字PID控制器控制器1 PID

11、算法算法 PID控制的原理基于下面的算式；输出M（t）是比例项、积分项和微分项的函数。 输出= 比例项+ 积分项+ 微分项 其中： M（t）- PID回路的输出，是时间的函数 KC- PID回路的增益 e - PID回路的偏差（给定值与过程变量之差） Minitial- PID回路输出的初始值 简化算式是：简化算式是： 1nnDnInCneeKMXeKeKM(6-1) dtdeKMedtKeKtMCinitialtCC/0 2.PID方程的比例项方程的比例项 3 PID方程的积分项方程的积分项 4. PID方程的微分项方程的微分项 或或nncnPVSPKMP*MXPVSPTTKMInnIScn

12、/* 11/*nnnnSDcnPVSPPVSPTTKMDnnSDcnPVPVTTKMD1/*6.4 S7-200PLC的的PID控制及其应用控制及其应用 6.4.1 PID功能功能 S7-200 CPU提供了8个回路的PID功能，用以实现需要按照PID控制规律进行自动调节的控制任务，比如温度、压力和流量控制等。 PID运算的任务就是根据反馈与给定的相对差值，按照PID运算规律计算出结果，输出到固态开关元件（控制加热棒），或者变频器（驱动水泵）等执行机构进行调节，以达到自动维持被控制的量跟随给定变化的目的。 1. PID指令指令 S7-200 中PID功能的核心是PID指令。PID指令需要为其指

13、定一个以V变量存储区地址开始的PID回路表(TBL)，以及PID回路号(LOOP)。PID回路表提供了给定和反馈，以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也在回路表输出。 PID指令（又称为PID回路指令）的梯形图指令盒的形式如图6-13所示。使能输入有效时，该指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。梯形图的指令盒中有2个数据输入端：TBL，回路表的起始地址，是由VB指定的字节型数据；LOOP，回路号，是07的常数。 STL指令格式：PIDTBL, LOOP 图6-132. PID回路表回路表 回路表有回路表有80 字节长，它的格式如表字节长，它的格式如表6-1所示。所示。 回

14、路表包含回路表包含9个参数，用来控制和监视个参数，用来控制和监视PID运算。这些参数分别是运算。这些参数分别是过程变量当前值（过程变量当前值（PVn），过程变量前值（），过程变量前值（PVn-1），给定值），给定值（SPn），输出值（），输出值（Mn），增益（），增益（Kc），采样时间（），采样时间（Ts），积分时），积分时间（间（TI），微分时间（），微分时间（TD）和积分项前值（）和积分项前值（MX）。）。 为了让为了让PID运算以预想的采样频率工作，运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在定时发指令必须用在定时发生的中断程序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。生的中断程

15、序中，或者用在主程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间必须通过回路表输入到采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。运算中。 偏移地址 域(参数名）格 式 类 型 描 述 T+0过程变量（反馈（PVn）双字-实数 输入过程变量，必须在0.01.0之间 T+4设定值（给定）（SPn）双字-实数输入给定值，必须在0.01.0之间T+8输出值（Mn）双字-实数输入/输出输出值，必须在0.01.0之间T+12增益（P参数）（KC）双字-实数输入增益是比例常数，可正可负T+16采样时间（TS）双字-实数输入单位为秒，必须是正数T+20积分时间（I参数）（TI） 双字-实数输入单位为分钟，必须是正数

16、T+24微分时间（D参数）（TD）双字-实数输入单位为分钟，必须是正数T+28积分项前项（MX）双字-实数输入/输出积分项前项，必须在0.01.0之间 T+32过程变量前值（PVn-1）双字-实数输入/输出最近一次PID运算的过程变量值T+36至T+79保留给PID自整定的变量设置用3. 回路控制类型的选择回路控制类型的选择 4. 回路输入的转换和标准化回路输入的转换和标准化 转换的第一步是把转换的第一步是把16位整数值转成浮点型实数值。位整数值转成浮点型实数值。 下一步是将现实世界的值的实数值表达形式转换成下一步是将现实世界的值的实数值表达形式转换成0.01.0之间之间的标准化值。下面的算式

17、可以用于标准化给定值或过程变量值：的标准化值。下面的算式可以用于标准化给定值或过程变量值： (6-10) 其中：其中： RNorm-标准化的实数值标准化的实数值 RRaw-没有标准化的实数值或原值没有标准化的实数值或原值 Offset -单极性为单极性为0.0，双极性为，双极性为0.5 Span-值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性值域大小，可能的最大值减去可能的最小值，单极性 为为32,000（典型值），双极性为（典型值），双极性为64,000（典型值）。（典型值）。 OffsetSRRPanRawNorm/5. 回路输出值转换成刻度整数值回路输出值转换成刻度整数值第一步是将回路输

18、出转换成一个标定的实数值第一步是将回路输出转换成一个标定的实数值 下一步是把回路输出的刻度转换成下一步是把回路输出的刻度转换成16位整数。位整数。 6. 正作用或反作用回路正作用或反作用回路 7. 控制方式控制方式S7-200的的PID回路没有设置控制方式，只有当回路没有设置控制方式，只有当PID指令盒接指令盒接通时，才执行通时，才执行PID运算。在这种意义上说，运算。在这种意义上说，PID运算存在一运算存在一种种“自动自动“运行方式。当运行方式。当PID运算不被执行时，我们称之为运算不被执行时，我们称之为“手动手动”模式。模式。 【例【例6-3】 应用PLC实现水箱水位的PID闭环控制6.4

19、.2 PID向导向导 STEP 7 Micro/WIN提供了提供了PID Wizard(PID指令向指令向导导)，可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的，可以帮助用户方便地生成一个闭环控制过程的PID算算法。用户只要在向导的指导下填写相应的参数，就可以方法。用户只要在向导的指导下填写相应的参数，就可以方便快捷的完成便快捷的完成PID运算的自动编程。用户只需在应用程序运算的自动编程。用户只需在应用程序中调用中调用PID向导生成的子程序，就可以完成向导生成的子程序，就可以完成PID控制任务。控制任务。向导最多允许配置向导最多允许配置8个个PID回路。回路。 1.PID向导的使用向导的使用“Tools”“Instruction Wizard”，然后在指令向导窗口中选择PID向导进入配置。 图6-17 设定PID回路参数2. PID向导符号表向导符号表 完成完成PID向导配置后，会自动生成一个向导配置后，会自动生成一个PID向导符号表，向导符号表，在这个符号表中可以找到在这个符号表中可以找到P（比例）、（比例）、I（积分）、（积分）、D（微（微分）等参数的地址。利用这些参数地址用户可以方便在分）等参数的地址。利用这些参数地址用户可以方便